专利名称：基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全光微波/亳米波发生器，适用于光纤微波通信(RoF: Radio on/over Fiber)、微波光子、光纤传感、光纤激光器、光纤通信、卫星通信以 及雷达等。
背景技术：
无线化和宽带化是当今通信业乃至整个信息业的热点，无线通信使得在任 何时候、任何地方与任何人之间通信成为可能。而宽带通信可以将语音、数据、 视频和多媒体等业务快速地传送到用户。微波光子学正是在此需求下应运而生 的一个将微波学与光子学相结合的全新领域，它集成了微波学与光子学的优点， 在射频波和光纤之间实现透明转换，微波提供了低成本可移动无线连接方式， 而光纤提供了低损宽带连接，该连接方式不受电的影响，在光纤中实现射频波 的带通传输，无衰减，无信道间的相互干扰。而微波光子学中关键性基本技术 之一就是微波毫米波的产生，近几年来，随着人们对宽带通信容量不断增长的 需求，微波毫米波发生器逐渐成为众多学者研究的热点之一。比起传统基于电 子设备的微波信号处理，微波光子信号处理具有时间带宽积高、抗电磁干扰、 线路和设备间的串扰小、调谐方便的优点，微波光子信号处理技术是在光域上 对微波信号处理，它能与RoF传输系统天然匹配，中间无需光电和电光转换设备。 电处理器的带宽限制了高带宽的光电信号的处理，以光子取代电子，在较高的 速率处理信号，这样就可以避免电子瓶颈。光学方法产生微波/毫米波是一项微波光子学的关键技术。利用光电技术产生微波频率的传统方法是基于两个可调谐的频率相近的激光束，这就要求激光 器具有非常好的频率稳定性。另一种方法是在复杂的光学整合电路中，频移射频调制激光器频率，但是该方法仅限于产生低频信号(〈lGHz)。最近，又研究了 很多用于产生微波、毫米波信号的新方法有将光纤环共振腔作为频率调制器， 利用光纤的布里渊散射作用产生相位调制的微波信号；有采用两个或多个固态 微芯片温度和电压调谐激光器的干涉产生动态可调谐、低噪声的微波、毫米波 信号，频率从几个GHz到100GHz;有采用布拉格光栅取代马赫-曾德干涉仪作为 滤波器，产生微波、毫米波；还有基于非啁啾高斯脉冲在传输过程中的色散和 非线性效应产生复杂频率的微波/毫米波。这些产生方法，结构复杂，稳定性差， 产生的效率不高。
光子技术和微波/毫米波的集成在远程通信的发展上打开了一个祌奇的、充 满希望的领域。最近十年，微波光子学引起了世界各国的重视，现在专门的微 波光子国际会议每年在北美、欧洲、亚太地区轮流召开，寻求更加优化的微波/ 毫米波发生器的方案具有深远的意义。
发明内容
本发明的目的就是克服已有微波/毫米波发生器带宽限制等不足，提供一种 基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器，它能实现稳定实用的微波/ 毫米波输出。
本发明的技术方案
一种基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器，包括光纤光栅、 掺杂有源光纤、波分复用器、泵浦光、阵列波导光栅、光隔离器、高速光电探 测器；它们之间的连接
在阵列波导光栅的一字端依次连接掺杂有源光纤、取样光纤光栅或级联光 纤光栅或宽带光纤光栅、波分复用器以及光隔离器；
在阵列波导光栅分叉端的每一路依次连接掺杂有源光纤、光纤光栅、波分复用器，每两路与任意一个高速光电探测器相连接；
在阵列波导光栅的一字端，泵浦光通过波分复用器耦合进掺杂有源光纤中， 在分叉端的每一路中，泵浦光分别通过波分复用器耦合进掺杂有源光纤，阵列 波导光栅分叉端每一路的光纤光栅分别与阵列波导光栅一字端的光纤光栅构成 独立的谐振腔，产生激光，其中任意两路激光同时耦合进任意一个高速光电探 测器中，通过差频产生微波/毫米波信号。
本发明提出一种基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器，阵列 波导光栅的分叉端每一路依次连接掺杂有源光纤、光纤光栅、波分复用器、光 纤耦合器以及高速光电探测器；在阵列波导光栅的一字端，泵浦光通过波分复 用器耦合进掺杂有源光纤中，在分叉端每一路中，泵浦光分别通过波分复用器 耦合进掺杂有源光纤中，阵列波导光栅分叉端的光纤光栅分别与阵列波导光栅 一字端的光纤光栅构成独立的谐振腔，产生激光，每一路激光首先进入光纤耦 合器中进行分光，之后任意选择两个耦合器，并将其输出光进行两两组合后同 时进入高速光电探测器中的任意一个进行差频，从而产生微波/毫米波信号。
本发明的有益效果具体如下
本发明所述的基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器集中射 频波和光波技术的优点，充分利用光纤光栅的波长选择特性，产生多波长激光 直接耦合或者通过光纤耦合器分光后再相干耦合进入高速光电探测器中，经过 差频实现微波/毫米波的输出，该发生器产生的微波/毫米波不仅实现简易，而且 具有更高的性价比。本发明为全光纤结构，与光纤微波系统兼容性好，结构紧 凑、可以产生几个GHz到几百GHz的微波信号，容易实现小型化和可集成化， 且受环境影响小、成本低、易于实施，在通信、信号处理、雷达等领域具有广 阔的应用前景。
图l为基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器实施例一N为任 意正整数的结构示意图。
图2为基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器实施例二具有光 纤耦合器且N为任意正整数的结构示意图。
图3为基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器实施例三N取16 的结构示意图。
图4为基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器实施例四N取32 的结构示意图。
图5为基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器实施例五具有耦 合器且N取2的结构示意图。
图6为基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器实施例六具有耦 合器且N取1000的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器作进一
步描述o
实施例一
如图1，基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器，其构成的器
件之间的连接
选择阵列波导光栅60，其分叉端2N个支路。
选择适当长度的掺杂有源光纤20和掺杂有源光纤 211,212,221,222......2N1，2N2，所有掺杂有源光纤均为掺铒、掺镱、掺钬、镱铒
共掺、掺钍、掺镨或掺钕光纤，其长度为在给定的泵浦功率下构成谐振腔的增益 满足激光器的谐振条件时的长度。
光纤光栅10选择取样光纤光栅或级联光纤光栅或宽带光纤光栅。光纤光栅111,112,121,122......1N1,1N2选择保偏光纤光栅或者普通光纤光栅。
在阵列波导光栅60的一字端依次连接掺杂有源光纤20、光纤光栅IO、波分
复用器30、光隔离器70。
在阵列波导光栅60的分叉端依次连接掺杂有源光纤
211,212,221,222......2N1,2N2、光纤光栅lll,112,121,122......1N1，1N2、波分复
用器311，312，321，322......3N1，3N2、每两路连接高速光电探测器91 9N中的任意一个。
在阵列波导光栅60的一字端，泵浦光40通过波分复用器30耦合进掺杂有源 光纤20中，在分叉端，泵浦光411， 412， 421， 422......4N1， 4N2分别通过波分
复用器311， 312， 321， 322......3N1， 3N2耦合进掺杂有源光纤211， 212, 221，
222......2N1， 2N2中，阵列波导光栅60分叉端的光纤光栅111， 112， 121，
122......1N1， 1N2分别与阵列波导光栅60—字端的光纤光栅10构成独立的谐振
腔，产生激光，其中任意两路激光同时耦合进高速光电探测器91 9N中的任意 一个，通过差频产生N路微波/毫米波信号。
如图2，基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器，其构成的器 件之间的连接
选择一个阵列波导光栅60,分叉端N路。
选择适当长度的掺杂有源光纤20和掺杂有源光纤21 2N，掺杂有源光纤为掺 铒、掺镱、掺钬、镱铒共掺、掺钍、掺镨或掺钕光纤，其长度为在给定的泵浦 功率下构成谐振腔的增益满足激光器的谐振条件时的长度。
光纤光栅10为取样光纤光栅或级联光纤光栅或宽带光纤光栅，光纤光栅 11 1N为保偏光纤光栅或者普通光纤光栅。
在阵列波导光栅60的一字端依次连接掺杂有源光纤20、光纤光栅IO、波分 复用器30，光隔离器70。在阵列波导光栅60的分叉端分别连接掺杂有源光纤21 2N、光纤光栅 11 1N、波分复用器31 3N、光纤耦合器81 8N、高速光电探测器91 9N。泵浦光40通过波分复用器30耦合进掺杂有源光纤20中，分叉端的光纤光栅 11 1N分别与一字端的光纤光栅10构成N个独立的谐振腔，产生激光，每一路 激光首先进入光纤耦合器81 8N中进行分光，任意选择两个不相邻的耦合器，并 将其输出光进行两两组合后同时进入高速光电探测器91 9N中的任意一个进行 差频，从而产生N路微波/毫米波信号。实施例三如图3，基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器，其构成的器件之间的连接选择阵列波导光栅60， N=16。选择0.5m的掺杂有源光纤20和1.0m的掺杂有源光纤 211,212,221,222......2161,2162，所有掺杂有源光纤均为掺铒光纤。光纤光栅10选择取样光纤光栅。光纤光栅111，112，121，122......U61，1162选择普通光纤光栅。在阵列波导光栅60的一字端依次连接掺杂有源光纤20、光纤光栅IO、波分 复用器30、光隔离器70。在阵列波导光栅60的分叉端依次连接掺杂有源光纤211,212,221,222......2161,2162、光纤光栅111，112，121,122......1161,1162、波分复用器311,312,321,322......3161,3162、每两路连接高速光电探测器91 916中的任意一个。在阵列波导光栅60的一字端，泵浦光40通过波分复用器30耦合进掺杂有源 光纤20中，在分叉端，泵浦光411， 412， 421， 422......4161， 4162分别通过波分复用器311， 312， 321， 322......3161， 3162耦合进掺杂有源光纤211， 212，221， 222......2161, 2162中，阵列波导光栅60分叉端的光纤光栅1U， 112， 121，列波导光栅60—字端的光纤光栅10构成独立的i皆振 腔，产生激光，第一和第二支路输出光同时耦合进高速光电探测器91、第三和 第四支路输出光同时耦合进高速光电探测器92......第三十一和第三十二路输出光同时耦合进高速光电探测器916,通过差频产生16路微波/毫米波信号。 实施例四如图4，基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器，其构成的器 件之间的连接选择一个阵列波导光栅60， N=32。选择0.5m的掺杂有源光纤20和1.5m的掺杂有源光纤 211,212,221,222......2321,2322，所有掺杂光纤均为掺镱光纤。光纤光栅10选择级联光纤光栅，光纤光栅111，112，121，122......1321，1322选择保偏光纤光栅。在阵列波导光栅60的一字端连接掺杂有源光纤20，光纤光栅IO，波分复用 器30，光隔离器70。在阵列波导光栅60的分叉端每一路依次连接掺杂有源光纤 211,212,221,222......2321,2322、光纤光栅111,112,121，122......1321,1322、波分复用器311,312,321,322......3321,3322、每两路连接高速光电探测器91 932中的任意一个。在阵列波导光栅60的一字端，泵浦光40通过波分复用器30耦合进掺杂有源光纤20中，在分叉端，泵浦光411， 412， 421， 422......4321， 4322分别通过波分复用器311， 312， 321， 322......3321， 3322耦合进掺杂有源光纤211， 212，221， 222......2321， 2322中，阵列波导光栅60分叉端的光纤光栅111 ， 112， 121，122......1321，1322分别与阵列波导光栅60—字端的光纤光栅10构成独立的谐振腔，产生激光，第一和第三支路的输出光同时耦合进高速光电探测器91、第二 和第四支路的输出光同时耦合进高速光电探测器92.....第六十三和第六十四同时耦合进高速光电探测器932，通过差频产生32路微波/毫米波信号。 实施例五如图5，基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器，其构成的器 件之间的连接选择一个阵列波导光栅60， N=2。选择15m的掺杂有源光纤20和1.5m的掺杂有源光纤21、22，掺杂有源光纤 20为掺钬光纤，其余掺杂光纤均为掺镱光纤。光纤光栅10为宽带光纤光栅。光纤光栅11 12为普通光纤光栅。在阵列波导光栅60的一字端依次连接掺杂有源光纤20、光纤光栅IO、波分 复用器30，光隔离器70。在阵列波导光栅60的分叉端分别连接掺杂有源光纤21~22、光纤光栅 11~12、波分复用器31 32、光纤耦合器81 82、高速光电探测器91 92。泵浦光40通过波分复用器30耦合进掺杂有源光纤20中，分叉端的光纤光栅 11 12分别与一字端的光纤光栅10构成2个独立的谐振腔，产生激光，每一路激 光首先进入光纤耦合器81、 82中进行分光，将光纤耦合器输出光进行两两组合， 同时进入高速光电探测器91、 92中进行差频，产生2路微波/毫米波信号。实施例六如图6，基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器，其构成的器 件之间的连接选择一个阵列波导光栅60， N=1000。选择30m的掺杂有源光纤20和3m的掺杂有源光纤21 21000，掺杂有源光纤20为掺钬光纤，其余掺杂光纤均为掺铥光纤。光纤光栅10为宽带光纤光栅。光纤光栅l 1 1 IOOO为保偏光纤光栅。 在阵列波导光栅60的一字端依次连接掺杂有源光纤20、光纤光栅IO、波分复用器30，光隔离器70。在阵列波导光栅60的分叉端分别连接掺杂有源光纤21~21000、光纤光栅 11~11000、波分复用器31 31000、光纤耦合器81 81000、高速光电探测器 91 91000。
泵浦光40通过波分复用器30耦合进掺杂有源光纤20中，分叉端的光纤光栅 11 11000分别与一字端的光纤光栅10构成1000个独立的谐振腔，产生激光，每 一路激光首先进入光纤耦合器81 81000中进行分光，选择光纤耦合器81和83的 输出光进行两两组合后，同时进入高速光电探测器91和93中，选择光纤耦合器 82和84的输出光进行两两组合后，同时进入高速光电探测器92和94中......选择
光纤耦合器8999和81000的输出光进行两两组合后，同时进入高速光电探测器 9999和91000中，进行差频，各产生两路微波/毫米波信号。
本发明提出一种有效、可靠的基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波
发生器，所用到的掺杂有源光纤长度为在给定的泵浦功率下构成谐振腔的增益满 足激光器的谐振条件时的长度；该发生器中所涉及到的光器件均为常用的市售器 件；发生器中涉及到的N由目前阵列波导光栅的条件所决定，随着阵列波导光栅 的发展，该发生器能产生的微波/毫米波阵列数将逐渐增多。
权利要求
1.基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器，其特征在于，该发生器包括光纤光栅(10)，光纤光栅(111，112，121，122......1N1，1N2)、掺杂有源光纤(20)，掺杂有源光纤(211，212，221，222......2N1，2N2)、波分复用器(30)，波分复用器(311，312，321，322......3N1，3N2)、泵浦光(40)，泵浦光(411，412，421，422......4N1，4N2)、阵列波导光栅(60)、光隔离器(70)、高速光电探测器(91～9N)，其中N为任意正整数，它们之间的连接在阵列波导光栅(60)的一字端依次连接掺杂有源光纤(20)、光纤光栅(10)、波分复用器(30)、光隔离器(70)；在阵列波导光栅(60)的分叉端依次连接掺杂有源光纤(211，212，221，222......2N1，2N2)、光纤光栅(111，112，121，122......1N1，1N2)、波分复用器(311，312，321，322......3N1，3N2)，每两路连接到高速光电探测器(91～9N)中的任意一个；在阵列波导光栅(60)的一字端，泵浦光(40)通过波分复用器(30)耦合进掺杂有源光纤(20)中，在分叉端，泵浦光(411，412，421，422......4N1，4N2)分别通过波分复用器(311，312，321，322......3N1，3N2)耦合进掺杂有源光纤(211，212，221，222......2N1，2N2)中，阵列波导光栅(60)分叉端的光纤光栅(111，112，121，122......1N1，1N2)分别与阵列波导光栅(60)一字端的光纤光栅(10)构成独立的谐振腔，产生激光，其中任意两路激光同时耦合进高速光电探测器(91～9N)中的任意一个，通过差频产生微波/毫米波信号。
2. 根据权利要求l所述的基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生 器，其特征在于，光纤光栅为取样光纤光栅、级联光纤光栅、宽带光纤光栅、保偏光纤光栅或普通光纤光栅。
3. 根据权利要求l所述的基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器，其特征在于，掺杂有源光纤为掺铒、掺镱、掺钬、镱珥共掺、掺钍、掺镨 或掺钕有源光纤。
4. 根据权利要求l所述的基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/亳米波发生 器，其特征在于，在阵列波导光栅(60)的分叉端依次连接掺杂有源光纤(21 2N)、 光纤光栅(11 1N)、波分复用器(31 3N)、光纤耦合器(81 8N)以及高 速光电探测器(91~9N);在阵列波导光栅(60)的一字端，泵浦光(40)通过波 分复用器(30)耦合进掺杂有源光纤(20)中，在分叉端，泵浦光(41 4N) 分别通过波分复用器(31 3N)耦合进掺杂有源光纤(21 2N)中，阵列波导 光栅(60)分叉端的光纤光栅U1 1N)分别与阵列波导光栅(60)—字端的光纤光 栅(10)构成独立的谐振腔，产生激光，每一路激光首先进入光纤耦合器(81 8N) 中进行分光，之后任意选择两个耦合器，并将其输出光进行两两组合后同时进 入高速光电探测器(91-9N)中的任意一个进行差频，从而产生微波/毫米波信 号。
5. 根据权利要求4所述的基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生 器，其特征在于，由光纤光栅、泵浦光、波分复用器、有源光纤产生激光后， 进入光纤耦合器(81~8N)中进行分光，任意选择两个耦合器的输出光进行两两 组合的方式是任意的，即进入高速光电探测器(91~9N)中的任意一个进行差频 的相干光选择组合方式有两种，任意选择其中一种组合方式，进入高速光电探 测器(91~9N)中的任意一个进行差频，从而产生微波/毫米波信号。
6. 根据权利要求l所述的基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器，其特征在于，所述的微波/毫米波信号的频率范围小于1000赫兹。
全文摘要
一种基于阵列波导光栅和光纤光栅的微波/毫米波发生器，在阵列波导光栅(60)一字端，泵浦光(40)通过波分复用器(30)耦合进掺杂有源光纤(20)，在分叉端泵浦光(411，412，421，422...4N1，4N2)分别通过波分复用器(311，312，321，322...3N1，3N2)耦合进掺杂有源光纤(211，212，221，222...2N1，2N2)，阵列波导光栅(60)分叉端的光纤光栅(111，112，121，122...1N1，1N2)分别与阵列波导光栅(60)一字端光纤光栅(10)构成独立谐振腔，产生激光，任意两路激光同时耦合进高速光电探测器(91～9N)中任意一个，通过差频产生微波/毫米波信号。
文档编号H04B10/12GK101321018SQ20081011666
公开日2008年12月10日 申请日期2008年7月15日 优先权日2008年7月15日
发明者吴树强, 宁提纲, 祁春慧, 董小伟, 丽 裴, 赵瑞峰, 兰 郭, 乂 阮 申请人:北京交通大学